Зажигание микрочастиц антрацита излучением лазеров непрерывного действия с длинами волн 450 и 808 нм

Полный текст

Введение

Ископаемые угли – основные материалы, применяемыми в энергетике. Важной задачей является совершенствование методов сжигания углей с наибольшей эффективностью и наименьшим ущербом для окружающей среды. В связи с этим актуальна разработка методов безмазутного розжига топлива в угольных котлах, поскольку мазут приводит к ускоренной коррозии конструкционных материалов и наносит вред окружающей среде [1].

В этом направлении перспективна разработка физических методов розжига угольного топлива. В настоящее время для этой цели разработаны и начинают получать применение для розжига пылеугольного топлива плазмотроны [2–5].

Большой интерес представляет применение лазерного излучения. В настоящее время ведутся такие разработки, в частности имеется патент на розжиг пылеугольного топлива в воздушном потоке лазерным излучением [6]. Для разработки методов лазерного розжига угольного топлива любого состава необходимо исследовать механизмы лазерного зажигания углей. Такие работы ведутся с использованием неодимового и CO₂-лазеров [7–14].

Наибольшую информацию о механизме лазерного зажигания можно получить, используя импульсные лазеры в сочетании с регистрирующей аппаратурой, имеющей высокое временное разрешение [15–20].

Тем не менее для практического применения необходимо исследовать зажигание угольного топлива с использованием относительно дешевых полупроводниковых лазеров непрерывного действия. В наших работах [21, 22] исследовано зажигание угольных микрочастиц с использованием образцов насыпной плотности марок Б (бурый), ДГ (длиннопламенный газовый), Г (газовый), Ж (жирный) и К (коксовый) при воздействии полупроводниковых лазеров непрерывного действия с длинами волн λ = 450 и 808 нм, и дана интерпретация полученных результатов с помощью представлений, полученных при использовании импульсного лазерного зажигания микрочастиц углей [15–20].

 

Таблица 1. Результаты технического анализа аналитических проб антрацита

Марка угля	Технический анализ, ٪
	Wa	Ad	Vdaf	C, %
А	0.4	3.6	7.7	89.6

Показатель W^a – влага аналитическая, A^d – зольность, V^daf – показатель выхода летучих веществ, C – содержание углерода.

 

Исследование зажигания угля марки А (антрацит), наиболее зрелого в ряду метаморфизма, является продолжением работ [21, 22].

Образцы и методика

В экспериментах использовались образцы насыпной плотности с ρ = 0.5 г/см³ угля марки А (антрацит, разрез Бунгурский Кузнецкого угольного бассейна). Проводился помол углей на шаровой мельнице АГО-2 и рассеивание через сито с ячейкой 63 мкм. Просеянный порошок собирался в специальной посуде, закрытой для доступа воздуха. Результат технического анализа порошков углей, измеренный согласно ГОСТ Р.53357-2013 представлен в табл. 1.

Измерение распределения частиц по размерам производилось с помощью лазерного дифрактометра Fritsch Analysette 22 comfort. Частицы занимают диапазон от 0.5 до 63 мкм с максимумом распределения при 20 мкм. Порошок угля помещался в медный капсюль диаметром 5 мм и глубиной 2 мм. Функциональная схема экспериментальной установки для измерения кинетических, энергетических и спектральных характеристик представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки для измерения кинетических, энергетических и спектральных характеристик: 1 – стеклянные нейтральные светофильтры, 2 – прозрачная стеклянная пластина, 3 – фотодиод, 4 – поворотное зеркало, 5 –линза, 6 – образец, 7 – линза, 8 – щель (0.1 × 3 мм), 9 – фотоумножитель, 10 – осциллограф, 11 – генератор импульсов, 12 – спектрометр, 13 – световод, 14 – компьютер.

 

Зажигание углей осуществлялось с помощью полупроводниковых лазеров (L) непрерывного действия на длинах волн λ = 808 нм, либо λ = 450 нм, с регулируемой мощностью излучения до 10 и 20 Вт соответственно. Мощность излучения регулировалась с помощью стеклянных нейтральных светофильтров 1 с известными коэффициентами ослабления. Для контроля мощности часть излучения (8%) отводилась прозрачной стеклянной пластиной 2 на калиброванный фотодиод 3. С помощью поворотного зеркала 4 и фокусирующей линзы 5 с фокусным расстоянием F = 25 см излучение направлялось на образец 6. Площадь лазерного пятна на образце S = 0.03 см². Образец можно располагать под углом 45° к лазерному излучению и оптической оси схемы регистрации при измерении кинетических и спектральных характеристик поверхностного свечения.

Для регистрации свечения пламени образец располагался перпендикулярно лазерному лучу и параллельно оптической оси регистрирующего тракта. Излучение образца собиралось линзой 7, передавалось на щель 8 высотой 0.1 мм и длиной 3 мм. Свечение, проходящее через щель, передавалось линзой 7 на фотокатод фотоэлектронного умножителя Hamamatsu H10721-20 9, сигнал которого регистрировался осциллографом LeCroy WaveJet WJ332A 10. Синхронный запуск лазера и развертки осциллографа осуществлялся с помощью генератора импульсов Г5-56 11. Время экспозиции лазерного излучения задавалось импульсным генератором 11 с максимальным значением t = 1 с.

Во втором канале установки производилось измерение спектров свечения образца в различные моменты времени от начала облучения при помощи спектрометра Optosky ATP2000H 12. Свечение от образца к спектрометру передавалось при помощи световода диаметром 0.6 мм 13. Сигнал со спектрометра передавался для обработки в компьютер 14. Спектральный диапазон измерения составлял Δλ = 200–890 нм, спектральное разрешение 1.2 нм, минимальное время экспозиции 10 мкс. Синхронизация запуска лазера 1 и спектрометра 12 осуществляется с помощью генератора 11.

Экспериментальные результаты

Проведено измерение кинетических характеристик зажигания микрочастиц антрацита насыпной плотности ρ = 0.5 г/см³ во время воздействия лазерного излучения длительностью 1 с на длинах волн λ = 450 и 808 нм.

В первом случае образец располагался под углом 45° к лазерному лучу и оптической оси измерительного тракта (рис. 1). Типичная осциллограмма, зарегистрированная с помощью фотоумножителя 9 и осциллографа 10 (рис.1) при воздействии излучения с λ = 808 нм представлены на рис. 2, а.

Измерение времени задержки зажигания t_z проведены в другой геометрии. Поверхность образца располагалась перпендикулярно лучу лазера и параллельно оптической оси измерительного тракта, на 1 мм ниже оси. В этом случае регистрируется свечение пламени, которое появляется после зажигания, что позволяет более корректно определить t_z. Типичная осциллограмма при воздействии излучения с λ = 808 нм представлена на рис. 2, б. Осциллограммы, полученные с использованием излучения с λ = 450 нм имеют качественно аналогичный характер.

При определении характеристик зажигания в зависимости от плотности мощности лазерного излучения следует использовать не экспозиционную плотность мощности W_e, а плотность мощности излучения W_p, поглощаемого образцом. Поскольку уголь считается серым телом, то

$W_p = (1-R)\times W_e,$ (1)

где R – коэффициент отражения образцов соответствующей марки угля.

Было проведено измерение коэффициента отражения образцов антрацита для излучения с λ = 808 и 450 нм с использованием фотометрического шара, аналогично работам [23, 24]. Для λ = 450 нм R = 0.063, для λ = 808 нм R = 0.084.

Из рис. 2, б видно, что зажигание образцов начинается через определенное время экспозиции t_z, которое далее называем временем задержки зажигания. Как показано в работе [22], время t_z для каменных углей имеет статический характер при фиксированной мощности излучения.

 

Рис. 2. Типичные осциллограммы зависимости интенсивности свечения образцов антрацита от времени: приповерхностное свечение (а), свечение пламени на расстоянии 1 мм от поверхности образца (б) при лазерном воздействии λ = 808 нм плотностью мощности We = 130 Вт/см2.

 

Для антрацита наблюдается аналогичная закономерность. В связи с этим, на каждой фиксированной мощности излучения производились эксперименты до появления пяти вспышек. Далее вычислялось среднее значение t_z и доверительный интервал Δt_z по методу Стьюдента. Аналогичные измерения проводились в широком диапазоне мощностей с использованием лазерного излучения с λ = 808 и 450 нм.

На рис. 3. представлена зависимость времени задержки зажигания t_z с доверительными интервалами Δt_z от плотности мощности лазерного излучения W_p для λ = 808 и 450 нм. С ростом плотности мощности излучения время t_z монотонно уменьшается, как и для каменных углей [22] при воздействии обоих видов излучения. При совпадающих значениях W_p времена задержки зажигания совпадают в приделах Δt_z для обоих видов излучений.

 

Рис. 3. Зависимость времени задержки зажигания tz от плотности мощности лазерного излучения Wp, поглощенного образцами антрацита: 1 – λ = 808 нм; 2 – λ = 450 нм.

 

В следующей серии экспериментов измерялась вероятность зажигания образцов антрацита в зависимости от плотности мощности лазерного излучения с λ = 808 и 450 нм. При фиксированной плотности мощности облучалось N = 10 образцов излучением с длительностью экспозиции 1 с определялось число вспышек n по осциллограммам типа рис. 2, б.

Определяли вероятность зажигания:

$P = n/N.$ (2)

Эксперимент проводился в широком диапазоне плотностей мощности. Зависимости вероятности зажигания P от плотности мощности излучения W_p, поглощенного образцами антрацита представлены на рис. 4 для обоих видов излучения.

 

Рис. 4. Зависимости вероятности зажигания P от плотности мощности излучения Wp, поглощенного образцами антрацита (а); зависимости вероятности зажигания P от числа поглощенных фотонов n в единицу времени на единичной площади для образцов антрацита: 1 – λ = 808 нм; 2 – λ = 450 нм (б).

 

Экспериментальные точки на рис. 4, а аппроксимированы интегралом вероятности

$p\left(W\right)=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\underset{0}{\overset{W}{}}\exp {\left(\frac{W-W_{cr}}{2\Delta W}\right)}^{2}dW,$ (3)

где W_cr – критическая плотность мощности лазерного излучения, соответствующая 50% вероятности появления вспышки, ∆W – среднеквадратичное отклонение.

Для λ = 450 нм W_p^cr ± ΔW = 200 ± 10 Вт/см², λ = 808 нм W_p^cr ± ΔW = 110 ± 13 Вт/см².

В следующей серии экспериментов производилось измерение спектров свечения образцов антрацита при воздействии излучения с λ = 808 нм с использованием спектрометра Optosky ATP2000H в фиксированные моменты времени от начала облучения.

Некоторые результаты представлены на рис. 5. Время интегрирования спектрометра составляло t_exp=100 мс. На рис. 5, а представлен спектр свечения образца, интегральный по времени в интервале Δt = 0–100 мс от начала лазерного облучения. На рис. 5, б представлен спектр свечения образца интегральный по времени в интервале Δt = 900–1000 мс от начала лазерного облучения.

 

Рис. 5. Спектр свечения образца интегральный по времени в интервале Δt = 0–100 мс от начала лазерного облучения (а); спектр свечения образца интегральный по времени в интервале Δt = 900–1000 мс от начала лазерного облучения (б).

 

Обсуждение результатов

При расположении образца под углом 45° к оптической оси измерительного тракта регистрируется суммарное свечение нагретой в результате поглощения лазерного излучения поверхности и приповерхностное свечение пламени, возникающего в результате зажигания образца (рис. 2, а). В отличие от бурого и каменных углей [21, 22] свечение начинается практически сразу после начала облучения, при этом его интенсивность почти всегда увеличивается с увеличением времени облучения. Этот результат позволяет сделать вывод, что у антрацита в данной геометрии преобладает свечение нагретой поверхности, что затрудняет измерение времени задержки зажигания t_z. В связи с этим, время задержки зажигания измерялось в другой геометрии, описанной в предыдущем разделе. Фиксировался момент времени появления пламени над образцом в зависимости от плотности мощности лазерного излучения. Пламя, возникающее при зажигании антрацита имеет характер вспышек и сопровождается сильным искрением, что определяет вид осциллограмм рис. 2, б. Такую же структуру пламени антрацита наблюдали в работе [25] при зажигании образцов импульсами CO₂-лазера. В отличие от антрацита для каменных углей не наблюдалось искрение при зажигании образцов, а свечение нагретой поверхности до начала зажигания незначительно [22].

Для образцов антрацита насыпной плотности, как и для других углей [21, 22] горение заканчивается вместе с окончанием лазерного облучения, т.е. отсутствует переход к стационарному горению.

Проведем оценку значения критической плотности энергии излучения поглощенного образцами антрацита, затраченной для их зажигания с вероятностью P = 0.5 для λ = 450 и 808 нм по формуле:

$E_{cr} = W_{cr}{t}_{0.5},$ (4)

где W_cr и t_0.5 –критическая плотность поглощенной энергии и время задержки для вероятности зажигания P = 0.5 соответственно.

Значение W_cr приведены в предыдущем разделе, значения t_0.5 можно определить из экспериментальных данных для t_z, приведенных на рис. 3 при советующих W_cr. В результате вычислений получим: для λ = 450 нм E_cr = 12 Дж/см², для λ = 808 нм E_cr = 42 Дж/см². Из этих результатов следует, что при практическом применении лазерного излучения для зажигания антрацита более экономично использовать излучение с λ = 450 нм, как и для каменных углей [22].

Проанализируем результаты для зависимости вероятности зажигания P от плотности мощности лазерного излучения W_p поглощенного образцами (рис. 4).

$W_p = n{E}_{ф},$ (5)

где n – число поглощенных фотонов в единицу времени на единице поверхности.

$E_{ф} = hc/\lambda$ (6)

– энергия фотонов, где h – постоянная Планка, c – скорость света, λ – длина волны излучения.

Преобразуем зависимость P(W_p) (рис. 4, а) в зависимость P(n), пользуясь выражениями (5) и (6). Результат представлен на рис. 4, б. Как следует из рис. 4, б зависимость P(n) для обеих видов излучения с учетом среднеквадратичного отклонения ΔW практически совпадают. Аналогичные результаты получены ранее для бурого и каменных углей [21, 22]. Таким образом, при зажигании антрацита в единицу времени поглощается одинаковое число фотонов для обоих видов излучения (рис. 4, б) как и для других углей. Определим общее число фотонов H_cr необходимых для нагрева образцов антрацита до температуры воспламенения с вероятностью P = 0.5 пользуясь выражением:

$n_{cr} = E_{cr}/E_{ô} = E_{cr}\lambda /\left(hc\right).$ (7)

Получили для λ = 450 нм n_cr = 2.7 × 10¹⁹ 1/см², для λ = 808 нм n_cr = 17 × 10¹⁹ 1/см². Отсюда следует, что несмотря на то, что в единицу времени поглощается одинаковое число фотонов, нагрев угля до температуры вспышки осуществляется при меньшем числе поглощенных фотонов для излучения с λ = 450 нм.

Рассмотрим результаты спектральных измерений, представленные на рис. 5. В первом случае измерение производилось вначале (рис. 5, а), а во втором в конце лазерного облучения (рис. 5, б). В обоих случаях можно выделить составляющие с тепловым спектром, которые на рис. 5 показаны пунктиром и связаны со свечением нагретой поверхности и горячих углеродных частиц, вылетающих при воспламенении образцов, как и при импульсном зажигании [18–20]. Как видно из рис. 5, а и б, интенсивность теплового свечения возрастает в течении длительности лазерного излучения. Анализ последних результатов, совместно с рассмотренным выше результатами измерения интегрального по спектру приповерхностного свечения (рис. 2, а) позволяет предполагать, что тепловое свечение связано преимущественно с нагревом поверхности угольных частиц. Измерение спектров теплового свечения с экспозицией 20 мс с временным сдвигом во время облучения позволило после обработки с использованием формулы Планка определить температуру нагрева поверхности в различные моменты времени. Результат, представленный в табл. 2, качественно коррелирует с нарастанием интенсивности интегрального по спектру свечения на рис. 2, а во временном интервале Δt = 0–1000 мс.

Кроме тепловой составляющей на рис. 5 наблюдается свечение, связанное с выходом и воспламенением летучих веществ. Измерения показали, что увеличение интенсивности свечения летучих веществ наблюдается во временном интервале Δt = 0–100 мс. Далее интенсивность свечения летучих веществ незначительно уменьшается во временном интервале Δt = 100–1000 мс в отличие от теплового свечения, интенсивность которого увеличивается.

Спектры, представленные на рис. 5, позволяют провести идентификацию составляющих, которые дают вклад в свечение летучих веществ. Сплошной спектр в интервале Δλ = 300–500 нм (рис. 5, а) связан с пламенем окиси углерода CO [26]. Аналогичное свечение в данном спектральном интервале наблюдалось при воздействии импульсного излучения (λ = 1064 нм, τ = 120 мкс) на образцы углей [15–20]. В диапазоне длин волн Δλ = 500–700 нм наблюдаются полосы свечения, ширина которых превышает спектральное разрешение спектрометра (1.2 нм).

 

Таблица 2. Температура поверхности образцов антрацита насыпной плотности в различные моменты времени после начала лазерного излучения с λ = 808 нм

t, мс	50	100	200	400	600	1000
T, К	1300	1500	1700	1800	1900	2100

 

Полосы с максимумами при λ = 512 и 543.3 нм связаны со свечением молекул диуглерода из серии Свана [26]. В полосу с максимумом при λ = 586.7 нм могут давать вклад свечение линий CO (λ = 574.9; 586.6 нм), C₂ (λ = 589.9; 595.8 нм) [26]. Последняя полоса переходит в широкую полосу свечения до 700 нм. Наиболее вероятно, это свечение связано с вращательно-колебательным спектром молекулы воды, который имеет диапазон длин волн λ = 568–692 нм 22 линии [26]. Спектральное разрешение нашей аппаратуры не позволяет выделение отдельных линий. Эту полосу свечения мы наблюдали при зажигании углей лазерными импульсами (λ = 1064 нм, 120 мкс) [15–20]. Интенсивная полоса свечения (λ_max = 808 нм) связана с рассеянным излучением лазера.

Заключение

В результате поглощения лазерного излучения происходит нагрев поверхности микрочастиц антрацита с увеличением температуры до T ≥ 2000 K за время 1 с.

Воспламенение микрочастиц антрацита после начала облучения происходит с задержкой; величина которой уменьшается с ростом плотности облучения. Пламя, возникающее при зажигании микрочастиц антрацита, имеет характер вспышек и сопровождается сильным искрением.

Процесс лазерного зажигания микрочастиц антрацита имеет статистический характер. Это проявляется как в статистике времени задержки зажигания образцов t_z на фиксированной мощности излучения, так и в вероятностном характере критической плотности мощности лазерного излучения W_cr, необходимого для зажигания образцов.

Критическая плотность энергии зажигания микрочастиц антрацита для образцов насыпной плотности составляет: для излучения с λ = 450 нм E_cr = 12 Дж/см²; для излучения с λ = 808 нм E_cr = 43 Дж/см². Следовательно, энергетические затраты для зажигания пылеугольного топлива на основе антрацита меньше при использовании излучения с λ = 450 нм, чем излучения с λ = 808 нм.

В спектрах излучения образцов антрацита, возникающего в результате поглощения лазерного излучения, наблюдается свечение, связанное с выходом и воспламенением летучих веществ (пламя CO, свечение возбужденных молекул CO, C₂ и H₂O) и тепловое излучение, связанное преимущественно со свечением нагретой поверхности, а также свечением вылетающих раскаленных углеродных частиц.

Благодарности

Авторы выражают благодарность А.Н. Заостровскому за предоставленные образцы углей; Н.И. Федоровой за проведение технического анализа углей. Исследования проведены с использованием оборудования Центра коллективного пользования ФИЦ УУХ СО РАН.

Финансирование работы

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-13-20041, https://rscf.ru/project/22-13-20041/ и за счет гранта Кемеровской области – Кузбасса (соглашение с № 2 от 22.03.2022)

Конфликт интересов

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

Б. П. Адуев

ФГБУН Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (ФИЦ УУХ СО РАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: lesinko-iuxm@yandex.ru
Россия, Кемерово, 650000

Г. М. Белокуров

ФГБУН Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (ФИЦ УУХ СО РАН)

Email: lesinko-iuxm@yandex.ru
Россия, Кемерово, 650000

И. Ю. Лисков

ФГБУН Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (ФИЦ УУХ СО РАН)

Email: lesinko-iuxm@yandex.ru
Россия, Кемерово, 650000

Д. Р. Нурмухаметов

ФГБУН Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН (ФИЦ УУХ СО РАН)

Email: lesinko-iuxm@yandex.ru
Россия, Кемерово, 650000

Список литературы

Дополнительные файлы